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CN101634627A - 一种微型防爆非色散红外气体传感器 - Google Patents

一种微型防爆非色散红外气体传感器 Download PDF

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CN101634627A CN200910034266A CN200910034266A CN101634627A CN 101634627 A CN101634627 A CN 101634627A CN 200910034266 A CN200910034266 A CN 200910034266A CN 200910034266 A CN200910034266 A CN 200910034266A CN 101634627 A CN101634627 A CN 101634627A
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China
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English (en)
Inventor
钱吉裕
贾中璐
周仝
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CETC 14 Research Institute
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CETC 14 Research Institute
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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Abstract

本发明涉及一种微型防爆非色散红外气体传感器，包括防爆网(1)、光腔气室、光源(4)、印制板(5)、插针(6)、热释电感光元件(7)、外壳(8)；光腔气室由端盖(2)和气室(3)组成，光源(4)发射光，经过端盖(2)两次反射后，照射到热释电感光元件(7)上；防爆网(1)和印制板(5)分别设置在光腔气室上方和下方，在光腔气室内的底部设有热释电感光元件(7)和光源(4)，在印制板(5)下部设有插针(6)，光腔气室被外壳(8)、防爆网(1)封装。本发明通过传感器的光路设计和结构设计，增强了传感器信号，提高了测量精度，减小了传感器结构尺寸，加快了传感器的响应速度。

Description

一种微型防爆非色散红外气体传感器
技术领域
本发明涉及一种微型防爆非色散红外气体传感器，适用于安全气体检测。
背景技术
目前，用于气体检测的方法主要有光干涉、载体催化、热导、红外等几种方法。
光干涉型气体检原理是依据被测气体浓度不同折射率不同，由同一光源发出的两束光分别经过充有空气的参比气室和充有待测气体的测量气室后，再相遇时两束光将产生干涉条纹。测量气室中的被测气体浓度不同，干涉条纹的位置就不同，根据干涉条纹的位置就可以测定被测气体的浓度。这种类型的气体传感器的优点是原理简单，易于实现，但是也存在很大的缺点，如，光干涉信号转化为电信号目前还难以实现，只能人工读数，另外受氧气和二氧化碳含量的影响，选择性较差；测量范围有限；受温度与气压影响，人为读数影响而产生误差等。
载体催化气体检测原理是根据被测气体和氧气在载体催化元件表面反应，放出反应热，使元件温度上升，元件的温度增量将引起元件的电阻增加，通过测量电阻增量就可以测定被测气体浓度。载体催化原理传感器以其信号输出易于处理、结构坚固、便于使用、价格低廉等优点，成为目前国内气体检测的主流。但是，载体催化气体传感器也有很多缺点，如，精度较低，检测范围窄，稳定性差，响应时间长，调校频繁，使用寿命短等。
热导检测原理是通过测量被测气体与空气的热导率差异，得到与被测气体浓度相关的电信号，确定气体浓度。采用热导原理的气体检测装置一般用于检测高浓度气体。但是，热导气体传感器的输出信号很小，检测装置的零点漂移是一个较难克服的缺点，同时热导型气体检测装置对低浓度气体反应不准确，并且易受水蒸气和氧气浓度的影响。
非色散红外技术(NDIR)是较色散红外而言的，传统的色散红外技术是指通过一定的方式取得为气体吸收的单色光，再用切光片进行机械调制，经过气体时光的能量减少，通过测量为气体吸收的光能量来计算气体的浓度值，近年来窄带干涉滤光片、光源等领域的发展，将窄带干涉滤光片集成在传感器上，形成滤光、检测一体化的新型传感器，为非色散红外提供了极大的方便。
非色散红外技术是由光源发出红外光，波长位于气体吸收峰值段的一部分红外光被气体吸收，再经过窄带干涉滤光片滤光后，通过热释电元件检测出吸收后的光的强度，并和未被吸收的光的强度对比，从而计算出气体的浓度。
红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，它在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。通常特征频率的光并非单一频率的光，它是有一定频率范围内的光组成的，也就是说，特征频率是有带宽的。带宽范围内的各个频率的光被吸收的程度也是不一样的，计算红外光穿过气体的能量被吸收的能量，需要计算带宽内各个频率被吸收的气体的总和，这个关系式满足朗伯-比尔定律，即：
I＝I0×e-klc
式中：
I0——红外光的初始能量；
I——红外光被气体吸收后的能量；
k——与气体有关的常数；
l——光程，即红外光通过气体层的厚度；
c——待测气体的浓度。
由上式可以看出，只要知道光通过待测气体的光程长l以及待测气体的吸收系数k，就可通过测量I与I0的比值求得待测气体的浓度。
为了得到具有从低浓度到高浓度的测量范围的光学气体传感器，首先，具有足够长的光路径L的光腔(气室)，其次，光腔能够保证光源发出的光的最低强度I能够被红外光探测器检测到；第三、为了消除时间性引起的一些差异，应具有用作参考的红外探测，以提高测量精度。
在NDIR检测的设计和制造方面，欧洲专利EP1 509 759 B1中，光源和传感器放在两个椭圆的焦点上，通过三次反射，来增加光程。美国专利US 6194735设计了一个反射曲面来制造光程。但是，通过曲面多次对焦的方法工程化难度很大。而欧洲和美国的已经商用化的传感器还存在一些问题，例如在实现传感器小型化的过程中，光的强度和光被待测气体吸收后的衰减度是一个矛盾。另外，传感器测量的一致性也有不足。目前，国内设计开发的传感器，大多体积庞大，精度低，一致性差，所以一直没有可工程应用的产品被普遍使用。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
针对以上不足本发明提供了一种传感器信号强、精度高、测量范围宽并实现了传感器的微型化的微型防爆非色散红外气体传感器。
2、技术方案：
本发明包括防爆网、光腔气室、光源、印制板、插针、热释电感光元件、外壳；光腔气室由端盖和气室组成，光源发射光，经过端盖两次反射后，照射到热释电感光元件上；防爆网和印制板分别设置在光腔气室上方和下方，在光腔气室内的底部设有热释电感光元件和光源，在印制板下部设有插针，光腔气室被外壳、防爆网封装。
所述的光腔气室内壁表面涂覆反光材料；端盖内腔是弧形，端盖设有通孔用来进气；气室内腔是一个圆柱型，底部成弧形。
所述的外壳一端有进气口；另一端开有输入输出的端口，用于装配光腔气室、印制板、插针；防爆网位于此进气口的下部。
所述的防爆网由多层不锈钢防爆网组成，并镀覆疏水膜。
热释电感光元件上有两个窗口，窗口上设置不同波长的窄带滤光片；一个窗口上设置的窄带滤光片的通过的红外光波长和被检测气体的吸收波长相同，称作工作端，工作端输出测量信号；另一个窗口上设置几乎没有气体吸收的波长的窄带滤光片，称作参考端。
3、有益效果：
本发明通过传感器的光路设计和结构设计，增强了传感器信号，提高了测量精度，减小了传感器结构尺寸，加快了传感器的响应速度。另外，本发明的方案还减小了光强不均匀等影响，提高了气体测量的准确度。传感器的微型化也使得传感器的应用更为灵活。本方案光路设计对聚焦要求不高，因此降低了装配难度。简化的结构设计使得加工难度和制造成本大大降低。
附图说明
图1为本发明的光反射路线图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的外壳结构示意图；
图4为本发明的气室结构示意图；
图5为本发明的端盖结构示意图；
图6为本发明的防爆网结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
如图2至图6所示，一种微型防爆非色散红外气体传感器包括防爆网1、光腔气室、光源4、印制板5、插针6、热释电感光元件7、外壳8。
光腔气室由端盖2和气室3组成，内壁表面涂覆反光材料，在本发明中是镀金，金对红外光吸收少，反射率高，且不容易氧化变色。端盖2内腔是弧形，用来聚集红外光和反射。气室3内腔是一个圆柱型，底部成弧形，有助于增强光的的反射性，同时降低了加工和装配难度。
防爆网1和印制板5分别设置在光腔气室上方和下方，在光腔气室内的底部设有热释电感光元件7和光源4，在印制板5下部设有插针6，光腔气室被外壳8、防爆网1封装，具有防爆性能；
外壳8一端开孔用于进气，是进气口9，另一端开口用于装配光腔气室、印制板5、插针6，是输入输出的端口10。防爆网1位于此进气口9的下部；端盖2设有通孔用来进气，内壁反射红外光。
由红外光源4发射红外光，经过端盖2两次反射后，照射到热释电感光元件7上。光反射的路线如图1所示。
被探测气体依次通过外壳8的开口9、防爆网1、端盖2的通孔，进入到由气室3和端盖2封装成的光腔气室内。
防爆网1由多层不锈钢防爆网烧结而成，并镀覆疏水膜，用来隔爆、防尘、防水。
光源4和热释电感光元件7的供电输入和信号输出通过印制板5和插针6来完成。
热释电感光元件7把接收到的红外光转换成电信号，接收到的光的强度越大，输出的电信号越强。而气体会吸收特定波段的红外光。光路越长，气体浓度越高，吸收的红外光越多，照射到热释电元件上的红外光越少。热释电感光元件7上有两个窗口，窗口上设置不同波长的窄带滤光片。一个窗口上设置的窄带滤光片的通过的红外光波长和被检测气体的吸收波长相同，称作工作端，工作端输出测量信号。另一个窗口上设置几乎没有气体吸收的波长的窄带滤光片，称作参考端，参考端输出参考信号。参考信号对测量信号起到修正的作用，使得测量结果更加准确。
不同的气体对红外光的吸收波段是不同的，针对不同的气体，比如测量甲烷或者二氧化碳等瓦斯气体，热释电元件配置不同波段的滤镜，就可以实现对各种气体的浓度测量。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (5)

1、一种微型防爆非色散红外气体传感器，其特征在于：包括防爆网(1)、光腔气室、光源(4)、印制板(5)、插针(6)、热释电感光元件(7)、外壳(8)；光腔气室由端盖(2)和气室(3)组成，光源(4)发射光，经过端盖(2)两次反射后，照射到热释电感光元件(7)上；防爆网(1)和印制板(5)分别设置在光腔气室上方和下方，在光腔气室内的底部设有热释电感光元件(7)和光源(4)，在印制板(5)下部设有插针(6)，光腔气室被外壳(8)、防爆网(1)封装。
2、根据权利要求1所述的一种微型防爆非色散红外气体传感器，其特征在于：所述的光腔气室内壁表面涂覆反光材料；端盖(2)内腔是弧形，端盖(2)设有通孔用来进气；气室(3)内腔是一个圆柱型，底部成弧形。
3、根据权利要求1所述的一种微型防爆非色散红外气体传感器，其特征在于：所述的外壳(8)一端有进气口(9)；另一端开有输入输出的端口(10)，用于装配光腔气室、印制板(5)、插针(6)；防爆网(1)位于此进气口(9)的下部。
4、根据权利要求1所述的一种微型防爆非色散红外气体传感器，其特征在于：所述的防爆网(1)由多层不锈钢防爆网组成，并镀覆疏水膜。
5、根据权利要求1所述的一种微型防爆非色散红外气体传感器，其特征在于：热释电感光元件(7)上有两个窗口，窗口上设置不同波长的窄带滤光片；一个窗口上设置的窄带滤光片的通过的红外光波长和被检测气体的吸收波长相同，称作工作端，工作端输出测量信号；另一个窗口上设置几乎没有气体吸收的波长的窄带滤光片，称作参考端。
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